真空蒸发镀膜法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 真空蒸发镀膜法,2-1,真空蒸发原理,2-2,蒸发源的蒸发特性及膜厚分布,2-3,蒸发源的类型, 2-4,合金及化合物的蒸发,2-5,膜厚和淀积速率的测量与监控,真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）,在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。,由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称为,热蒸发法。,2-1,真空蒸发原理,一、真空蒸发的特点与蒸发过程,图,2-1,真空蒸发镀膜原理,(1),真空室,为蒸发过程提供必要的真空环境；,(2),蒸发源或蒸发加热器,放置蒸发材料并对其加热；,(3),基板,用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发,薄膜；,(4),基板加热器及测温器等,。,1.,真空蒸发镀膜法的优缺点,：,优点：,是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯 度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰图形,；,薄膜的生长机理比较单纯,。,缺点：,不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基 板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。,2.,真空蒸发镀膜的三种基本过程：,(1),热蒸发过程,是由凝聚相转变为气相（固相或液相气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同,温度,时有不相同的,饱和蒸气压,；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。,(2),气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这,些粒子在环境气氛中的飞行过程。,飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的,平均自由程,及蒸发源到基片之间的距离，常称,源,基距,。,(3),蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，,即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。,由于,基板温度远低于蒸发源温度,，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相转变。,真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性,：,上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行，否则将发生以下情况：,1.,蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层,受到严重,污染，,甚至形成氧化物；,2.,蒸发源被加热氧化烧毁,；,3.,由于空气分子的,碰撞阻挡,，难以形成均匀连续的薄,膜。,二、饱和蒸气压和蒸汽压方程,1,饱和蒸汽压,一定温度,下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体,平衡过程,中所表现的,压力,称为该物质的,饱和蒸气压,。,物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的数值。即,一定的饱和蒸气压必定对应一定的物质的温度。,饱和蒸汽压表征了物质的蒸发能力。,已经规定物质在饱和蒸气压为,10,-2,托时的温度，称为该物质的,蒸发温度,。,2,蒸汽压方程,饱和蒸气压,Pv,与温度,T,之间的数学表达式称为,蒸汽压方程,。,可从克拉伯龙,-,克劳修斯（,Clapeylon-Calusius,）方程式推导出来,dPv /dT = Hv / T(Vg-Vs),（,2-1,）,式中，,Hv,为摩尔气化热或蒸发热（,J/mol,）,；,Vg,和,Vs,分别为气相和固相或液相的摩尔体积（,cm,3,）；,T,为绝对温度（,K,）。,因为,VgVs,，并假设在低气压下蒸气分子符合理想气体状态方程，则有,Vg -VsVg,，,Vg = RT/Pv,(2-2),式中，,R,是气体常数，其值为,8.3110,7,J/Kmol,。,故方程式（,2-1,）可写成,dPv /P v = HvdT/RT,2,（,2-3,）,亦可写成,d(lnPv)/d(1/T)= - Hv / R,由于气化热,Hv,通常随温度只有微小的变化，故可近似地把,Hv,看作常数，于是式,（,2-3,）,求积分得,ln Pv = C- Hv / RT,（,2-4,）,式中,C,为积分常数。式,（,2-4,）,常采用对数表示为,lgPv = A - B/ T,（,2-5,）,式中，,A,、,B,为常数，,A=C/2.3,，,B=Hv/2.3R,，,A,、,B,值可由实验确定。而且在,实际上,Pv,与,T,之间的关系多由实验确定,。,且有,Hv=19.12B(J/mol),关系存在。,式（,2-5,）,即为蒸发材料的饱和蒸气压与温度之间的近似关系式。,表,2-1,和图,2-2,分别给出了常用金属的饱和蒸气压与温度之间的关系，从,图,2-2,的,lgPv,1/T,近似直线图看出，饱和蒸气压随温度升高而迅速增加，并且到达正常蒸发速率所需温度，即饱和蒸气压约为,1Pa,时的温度,（,已经规定物质在饱和蒸气压为,10,-2,托时的温度，称为该物质的蒸发温度,）。,因此，在真空条件下蒸发物质要比常压下容易的多，所需蒸发温度也大大降低，蒸发过程也将大大缩短，蒸发速率显著提高 。,表,2-1,一些常用材料的蒸气压与温度关系,图,2-2,各种元素的蒸气压与温度关系,三、蒸发速率,根据气体分子运动论，在处于热平衡状态时，压强为,P,的气体，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数,(2-6),式中，,n,是分子密度， 是算术平均速度，,m,是分子质量，,k,为玻尔兹曼常数。,如果考虑在实际蒸发过程中，并非所有蒸发分子全部发生凝结，上式可改写为,(2-7),式中， 为冷凝系数，一般 ,1,， 为饱和蒸气压。,设蒸发材料表面液相、气相处于动态平衡，到达液相表面的分子全部粘接而不脱离，与从液相到气相的分子数相等，则蒸发速率可表示为,(2-8),式中，,dN,为蒸发分子（原子）数， 为蒸发系数，,A,为蒸发表面积，,t,为时间（秒） 和 分别为饱和蒸气压与液体静压（,Pa,）。当,=1,和,=0,时，得最大蒸发速率：,(2-9),式中，,M,为蒸发物质的摩尔质量。如果对式（,2-9,）乘以原子或分子质量，则得到单位面积的质量蒸发速率,(2-10),2-2,蒸发源的蒸发特性及膜厚分布,真空蒸发镀膜过程中，能否在基板上获得,均匀膜厚,，是制膜的,关键问题。,基板上不同蒸发位置的膜厚，,取决于蒸发源的蒸发（或发射）特性、基板与蒸发源的几何形状、相对位置以及蒸发物质的蒸发量。,为了对膜厚进行理论计算，找出其分布规律，首先对蒸发过程作如下几点假设：,（,1,）蒸发原子或分子与残余气体分子间不发生碰撞；,（,2,）在蒸发源附近的蒸发原子或分子之间也不发生,碰撞；,（,3,）蒸发淀积到基板上的原子不发生再蒸发现象，,即第一次碰撞就凝结于基板表面上。,(P25),上述假设的实质就是设每一个蒸发原子或分子，在入射到基板表面上的过程中均不发生任何碰撞，而且到达基板后又全部凝结。,一点蒸发源,通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（简称点源）,。,一个很小的球,dS,，以每秒,m,克的相同蒸发速率向各个方向蒸发，则在单位时间内，在任何方向上，通过如,图,2-4,所示立体角,d,的蒸发材料总量为,dm,，此角度为蒸发源和表面的角度，则有,dm = m / 4d,（,2-21,）,因此，在蒸发材料到达与垂直蒸发方向成,角的小面积,dS,2,的几何尺寸已知时，则淀积在此面积上的膜材厚度与数量即可求得。由图可知,dS,1,= dS,2,cos dS,1,= r,2,d,则有,d= dS,2,cos/ r,2,= dS,2,cos/,（,h,2,+x,2,）,（,2-22,）,r,是点源与基板上被观察膜厚点的距离。,所以蒸发材料到达,dS,2,上的蒸发速率,dm,可写成,dm = m/4 dS,2,cos/ r,2,（,2-23,）,假设蒸发膜的密度为,；单位时间内淀积在,dS,2,上的膜厚为,t,，则淀积到,dS,2,上的薄膜体积为,tdS,2,，,则,dm =tdS,2,（,2-24,）,将此值代入式,（,2-23,）,，则可得基板上任意一点的膜厚,t = m /4cos/ r,2,（,2-25,）,t = m /4cos/ r,2,（,2-25,）,经整理后得,t = mh / 4r,3,= mh/4,（,h,2,+x,2,）,3/2,(2-26),当,dS,2,在点源的正上方,，即,=0,时，,cos=1,，,用,t,0,表示原点处的膜厚，即有,t,0,= m/4h,2,（,2-27,）,显然，,t,0,是在基板平面内所能得到的最大厚度。则在基板架平面内膜厚分布状况可用下式表示,t/t,0,= 1 / 1+,（,x/h,）,2,3/2,（,2-28,）,立体角的定义 将弧度表示平面角度大小的定义（弧长除以半径）推广到三维空间中，定义“立体角”为：球面面积与半径平方的比值。即：,=,A,/,r,2,二小平面蒸发源,如,图,2-5,所示，用小型平面蒸发源代替点源。由于这种蒸发源的发射特性具有方向性,，使在,角方向蒸发的材料质量和,cos,成正比例，即遵从所谓余弦角度分布规律,(,1-23,式,),。,余弦散射律,碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度,的余弦进行分布。则一个分子在离开其表面时，处于立体角,d,（与表面法线成,角）中的几率为,dp = dcos/,（,1-23,）,式中,1/,是由于归一化条件，即位于,2,立体角中的几率为,1,而出现的。,是平面蒸发源法线与接收平面,dS,2,中心和平面源中心连线之间的夹角。则膜材从小型平面,dS,上以每秒,m,克的速率进行蒸发时，膜材在单位时间内通过与该小平面的法线成,角度方向的立体角,d,的蒸发量,dm,为,（,2-29,）,式中，,1/,是因为小平面源的蒸发范围局限在半球形空间。如果蒸发材料到达与蒸发方向成,角的小平面,dS,2,几何面积已知，则淀积在该小平面薄膜的蒸发速率即可求出,前已有,dS,1,= dS,2,cos(),，,dS,1,= r,2,d,（,2-22,）,则有,d= dS,2,cos() / r,2,dm = m coscosdS,2,/r,2,（,2-30,）,将,dm =tdS,2,代入上式后，则可得到小型蒸发源时，基板上任意一点的膜厚,t,为,t = m /()coscos,/ r,2,=mh,2,/(h,2,+x,2,),2,(2-31),当,dS,2,在小平面源正上方时（,=0,，,=0,），,用,t,0,表示该点的膜厚为,t,0,= m/h,2,（,2-32,）,t,0,是基板平面内所得到的最大蒸发膜厚。基板平面内其他各处的膜厚分布，即,t,与,t,0,之比为,t / t,0,=1 / 1+(x/h),2,2,（,2-33,）,图,2-6,比较了点蒸发源与小平面蒸发源两者的相对膜厚分布曲线。另外，比较,（,2-25,）,和,（,2-31,）,，,可以看出，两种源在基片上所淀积的膜层厚度，虽然很近似，但是由于蒸发源不同，在给定蒸发料、蒸发源和基板距离的情况下，平面蒸发源的最大厚度可为点蒸发源的,4,倍,左右。这一点也可从式,（,2-27,）,与,（,2-32,）,的比较中得出。,三、实际蒸发源的特性,1.,发针形,蒸发源或电子蒸发源中的熔融材料为球形，,与点蒸发源近似,。,2.,舟式蒸发源,中，若蒸发料熔融时与舟,不浸润,，从,舟中蒸发时也呈球形，但位于舟源表面处的蒸发料，使原来向下蒸发的粒子重新向上蒸发，故,与小平面蒸发源近似。,3.,蒸发料润湿的螺旋丝状蒸发源是理想的,柱形蒸发源,。,4.,锥形篮式蒸发源在各圈间隔很小时，其发射特性与,平面蒸发源近似。,5.,坩埚蒸发源可看成,表面蒸发源或高度定向的蒸发源,。,6.,磁控靶源可看成,大面积,(,平面或圆柱面,),蒸发源。,蒸发源的发射特性是比较复杂的问题，为了得到较均匀的膜厚还必须注意源和基板的配置，或使基板公转加自转等。,当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在沉积的衬底不平甚至有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使用一些特定形状的掩膜，从而实现薄膜地选择性沉积。,2-3,蒸发源的类型,蒸发源是蒸发装置的关键部件，大多金属材料都要求在,1000,2000,的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。最常用的加热方式有：,电阻法、电子束法、高频法,等。,一、电阻蒸发源,采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入,Al,2,O,3,、,BeO,等坩埚中进行间接加热蒸发 。,优点：,蒸发源结构简单、廉价易作,缺点：,需考虑蒸发源的材料和形状,1.,蒸发源材料,通常对蒸发源材料的,要求,是 ：,(1),熔点要高。,(2),饱和蒸气压低。,防止或减少在高温下蒸发源材料会,随蒸发材料蒸发而成为杂质进入蒸镀膜层中。,(3),化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学,反应。,各种物质蒸发时采用蒸发源见表,2-5,所示。,(4),具有良好的耐热性。热源变化时，功率密度变化,较小；,(5),原料丰富，经济耐用。,在制膜工艺中，常用的蒸发源材料有,W,、,Mo,、,Ta,等，或耐高温的金属氧化物，陶瓷或石墨坩埚。表,2-6,列出了,W,、,Mo,、,Ta,的主要物理参数。,2.,蒸镀材料对蒸发源材料的“湿润性”,蒸镀材料与蒸发源材料的湿润性”,与蒸发材料的表面能大小有关。高温熔化的蒸镀材料在蒸发源上,有扩展倾向时，可以认为是容易湿润的,；如果在蒸发源上有,凝聚而接近于形成球形的倾向时，就可以认为是难于湿润的。,在湿润的情况下，材料的蒸发是从大的表面上发生的且比较稳定，可以认为是,面蒸发源,的蒸发；在湿润小的时候，一般可认为是,点蒸发源,的蒸发。如果容易发生湿润，蒸发材料与蒸发源十分亲和，蒸发状态稳定；如果是难以湿润的，在采用丝状蒸发源时，蒸发材料就容易从蒸发源上掉下来。,关于蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质，结合考虑与蒸发源材料 的湿润性，制作成不同的形式和选用不同的蒸发源物质。,常用的几种加热器形状,丝状,舟状,坩埚,二电子束蒸发源,将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。,电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。,1.,电子束加热原理与特点,原理,:,基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于,阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而,实现蒸发镀膜。,若不考虑发射电子的初速度，则电子动能,1/2,m,2,，与它所具有的电功率相等，即,（,2-55,）,式中，,U,是电子所具有的电位（,V,）；,m,是电子质量（,9.1,10,-28,g,），,e,是电荷（,1.6,10,-19,C,）。得出电子运动速度,（,2-56,）,假如,U=10kV,，则电子速度可达,6,10,4,km/s,。高速运动的电子流在一定的电磁场作用下，使之汇聚成电子束并轰击到蒸发材料表面，使动能变成热能。若电子束的能量,(2-57),式中，,n,为电子密度；,I,为电子束的束流（,A,）；,t,是束流的作用时间（,s,）。其产生的热量,Q,为,(2-58),优点,:,(1),电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比 电阻加热源更大的能流密度。,(2),由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要。,(3),热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损失少。,2.,电子束蒸发源的结构型式,三高频感应蒸发源,将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。,特点：,(1),蒸发速率大，可比电阻蒸发源大,10,倍左右；,(2),蒸发源的温度稳定，不易产生飞溅现象；,(3),蒸发材料是金属时，蒸发材料可产生热量。因,此，坩埚可选用和蒸发材料反应最小的材料；,(4),蒸发源一次装料，无需送料机，温度控制比较,容易，操作比较简单。,缺点,：,蒸发装置必须屏蔽，并需要较复杂和昂贵的高频发生器；另外，如果线圈附近的压强超过,10,-2,Pa,高频场就会使残余气体电离，使功耗增大。,2-4,合金及化合物的蒸发,一合金的蒸发,1.,分馏现象,当蒸发,二元以上的合金及化合物,时，蒸发材料在气化过程中，由于各成分的,饱和蒸气压不同,，使得其,蒸发速率也不同,，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现象称为,分馏现象,。,2.,引入两个定律（,理想溶体定律,）,理想溶体,：各组元在量上可以任何比例互溶，溶解时没有热效应发生，体积具有加和性,( ),。,(a),分压定律,液体的总蒸气压 等于各组元蒸气分压 之和，即,(b),拉乌尔定律,在溶液中，溶剂的饱和蒸气压与溶剂的摩尔分数成正比，其比例常数就是同温度下溶剂单独存在时的饱和蒸气压。,即,式中,-,溶液中溶剂 的饱和蒸气分压；,-,溶剂 单独存在时的饱和蒸气压；,-,元在溶体中所占比例,(,摩尔数比或称摩尔分数,),；,、,-,， 在溶体中摩尔数；,物理意义,：,因为 ，所以,只有,(,即单组元,),时 ，,纯溶剂在一定,T,下，有一定饱和蒸气压，即单位时间从单位表面积上蒸发的分子数是一定的。若在其中加入少量溶质，单位体积中溶剂分子数量减少，因此溶剂在溶液中饱和蒸气压小了。,3.,拉乌尔定律在合金蒸发中的应用,合金属固溶体的一种，因此：,合金固溶体理想溶体,所以合金的蒸发可近似地按,拉乌尔定律,来处理。,如当合金含有二元组分时，合金各成分的蒸发速率,(2-59),(2-60),注：,（,2-10,）,式中，,P,A,和,P,B,分别为,A,、,B,成分在温度,T,时的饱和蒸气分压，,G,A,、,G,B,分别为两种成分的蒸发速率；,M,A,、,M,B,分别为两种成分元素的摩尔质量。,A,、,B,两种成分的蒸发速率之比为,(2-61),要保证薄膜的成分与蒸发料成分完全一致，则必须使,如果认为合金中各成分的饱和蒸气压也服从,拉乌尔定律,，则,P,A,、,P,B,的估计值为,(2-62),(2-63),(2-64),假设,m,A,、,m,B,分别为组元金属,A,、,B,在合金,中的质量,W,A,、,W,B,为在合金中的浓度，即有,(2-65),合金中组元金属,A,、,B,的蒸发速率之比可改写为,(2-66),此式说明，二元合金中两个组元金属蒸发速率之比，在该组元浓度或百分含量一定情况下，与该组元的 值成正比。,拉乌尔定律对合金往往不完全适用，故引入,活度系数,S,进行修正，经修正后相应的蒸发速率公式可表示为,（,2-67,）,采用真空蒸发法制作预定组成的合金薄膜，经常采用,瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法等,。,1,瞬时蒸发法,又称,“,闪烁,”,法,。它是将细小的颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器或坩埚中，使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。如果颗粒尺寸很小，几乎能对任何成分进行同时蒸发，故,瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。,优点 ：,能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发 等。,缺点：,是蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快。,2,多源蒸发法,将要形成合金的每一个成分，,分别,装入,各自的蒸发源中，然后独立地控制各个蒸发源的蒸发速率，使到达基板的各种原子与所需合金薄膜的组成相对应,。为使薄膜厚度分布均匀，基板常需要进行转动。,二化合物的蒸发,化合物的蒸发法有三种：,（,1,）电阻加热法；（,2,）反应蒸发法；（,3,）双源或多源蒸发法,三温度法和分子束外延法。,反应蒸发法,主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如氧化物、氮化硅和硅化物等。而,三温度法,和,分子外延,法主要用于制作单晶半导体化合物薄膜，特别是,III-V,族化合物半导体薄膜、超晶格薄膜以及各种单晶外延薄膜等。,1,反应蒸发法,将活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子和从蒸发源逸出的蒸发金属原子、低价化合物分子在基板表面淀积过程中发生反应，从而形成所需高价化合物薄膜的方法。,不仅用于热分解严重，而且用于因饱和蒸气压较低而难以采用电阻加热蒸发的材料。经常被用来制作高熔点的化合物薄膜，特别是适合制作过渡金属与易分解吸收的,O,2,、,N,2,等反应气体所组成的化合物薄膜。,在反应蒸发中，蒸发原子或低价化合物分子与活性气体发生反应的地方有三种可能，即蒸发源表面、蒸发源到基板的空间和基板表面。,2,三温度法,从原理上讲，就是双蒸发源蒸发法。,把,III-V,族化合物半导体材料置于坩埚内加热蒸发时，温度在沸点以上，半导体材料就会发生热分解，分溜出组分元素，淀积在基板上的膜层会偏离化合物的化学计量比。,这种方法是分别控制低蒸气压元素（,III,）的蒸发源温度,T,M,、高蒸气压元素（,V,）的蒸发源温度,T,V,和基板温度,T,S,，一共三个温度，这就是所谓的三温度法名称的由来。,3,分子束外延镀膜法（,MBE,）,外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶薄膜的方法,.,新生单晶层叫做外延层。典型的外延方法有,液相外延法、气相外延法和分子束外延法。,分子束外延（,MBE,）,是新发展起来的外延制膜方法。也是一种特殊的真空镀膜工艺。它是在超高真空条件下，将薄膜诸组元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。,优点,:,能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制膜厚、,组分和掺杂。适于制作微波、光电和多层结构,器件，从而为集成光电和超大规模集成电路的,发展提供了有效手段。,2-5,膜厚和淀积速率的测量与监控,薄膜的性质和结构主要决定于薄膜的成核与生长过程，实际上受到许多淀积参数的影响，如淀积速率、粒子速度与角分布、粒子性质、衬底温度及真空度等。在气相沉积技术中为了监控薄膜的性能与生长过程，必须对淀积参数进行有效的测量与监控。在所有沉积技术中，,淀积速率和膜厚是最重要的薄膜淀积参数,。显然，用于淀积速率测量的,实时方法,，对于时间的积分也能用于膜厚的测量，而,非实时方法,则只能测量膜厚。从原则上讲，与膜厚相关的任何物理量都能用来确定膜厚。但是，实际并非如此，因为与膜厚有关的大部分物理性质，强烈地受到微观结构的影响，即受淀积参数的影响。,1,、膜厚的分类,薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的,1,10,4,的原子层或分子层。在此方向上，薄膜具有微观结构。,理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。,由于薄膜仅在厚度方向是微观的，其他的两维方向具有宏观大小。所以，表示薄膜的形状，一定要用宏观方法，即采用长、宽、厚的方法。因此，,膜厚既是一个宏观概念，又是微观上的实体线度。,由于实际上存在的表面是不平整和连续的，而且薄膜内部还可能存在着针孔、杂质、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以，要严格地定义和精确测量薄膜的厚度实际上是比较困难的。,膜厚的定义应根据测量的方法和目的来决定。,经典模型认为物质的表面并不是一个抽象的几何概念，而是由刚性球的原子（分子）紧密排列而成，是实际存在的一个物理概念。,图,2-30,是,实际表面,和,平均表面,的示意图。,平均表面是指表面原子所有的点到这个面的距离代数和等于零,，平均表面是一个几何概念。通常，将基片一侧的表面分子的集合的平均表面称为,基片表面,S,S,；薄膜上不与基片接触的那一侧的表面的平均表面称为薄膜的,形状表面,S,T,；将所测量的薄膜原子重新排列，使其密度和块状材料相同且均匀分布在基片表面上，这时的平均表面称为薄膜,质量等价表面,S,M,；根据测量薄膜的物理性质等效为一定长度和宽度与所测量的薄膜相同尺寸的块状材料的薄膜，这时的平均表面称为,薄膜物性等价表面,S,P,。由此可以定义：,（,1,）形状膜厚,d,T,是,S,S,和,S,T,面之间的距离；,（,2,）质量膜厚,d,M,是,S,S,和,S,M,面之间的距离；,（,3,）物性膜厚,d,P,是,S,S,和,S,P,面之间的距离。,形状膜厚,d,T,是最接近于直观形式的膜厚，通常以,um,为单位。,d,T,只与表面原子（分子）有关，并且包含着薄膜内部结构的影响；,质量膜厚,d,M,反映了薄膜中包含物质的多少，通常以,g/cm,2,为单位，它消除了薄膜内部结构的影响（如缺陷、针孔、变形等）；,物性膜厚,d,P,在实际使用上较有用，而且比较容易测量，它与薄膜内部结构和外部结构无直接关系，主要取决于薄膜的性质（如电阻率、透射率等）。,三种定义的膜厚往往满足下列不等式：,d,T,d,M,d,P,三种膜厚的测试方法如表,2-8,所示。,2,、膜厚的测量方法,72,本节重点介绍以下几种方法,(1),称重法,：,微量天平法、石英晶体振荡法,(,质量膜厚,),(2),电学方法,：,电阻法、电容法、电离式监控计法,（物性膜厚）,(3),光学方法,：,光吸收法、光干涉法、等厚干涉条纹法,（物性膜厚）,(4),触针法,：,差动变压器法、阻抗放大法、压电元件法,（形状膜厚）,(1),称重法,(a),微量天平法,73,原理,：,建立在直接测定蒸镀在基片上的薄膜质量基础之上。,它是将微量天平设置在真空室内，把蒸镀的基片吊在天平横梁的一端，测出随薄膜的淀积而产生的天平倾斜，进而求出薄膜的积分堆积量，然后换算为膜厚。,如果，积分堆积量,(,质量,),为,m,，蒸镀膜的密度为,，基片上的蒸镀面积为,A,，则膜厚可由下式确定,2-70,(1),称重法,(a),微量天平法,74,优点,：灵敏度高，而且能测定淀积质量的绝对值,;,能在比较广的范围内选择基片材料,;,能在淀积过程中跟踪质量的变化等。,缺点,：,1,）精确度受到限制：在称重时，需将薄膜从真空系统中取出，薄膜会吸收大气中的水气等。,2),不能在一个基片上测定膜厚的分布，所得到的膜厚是整个,面积,A,上的平均厚度；,3),若薄膜的实际密度不等于块材的密度时，所算得的厚度不,是真正的膜厚。由公式算得的膜厚值小于实际的厚度值,.,(1),称重法,(b),石英晶体振荡法,75,原理,：利用改变石英晶体电极的微小厚度，来调整晶体振荡,器的固有振荡频率的方法。,石英晶体振荡法是,利用上述原理，在石英晶片电极上淀积薄膜，然后测其固有频率的变化就可求出质量膜厚。此法在本质上也是一种,动态称重法,。,式中，,f,为石英晶体的固有振荡频率；,为波长；,v,为波速；,t,为石英晶片厚度，,N,为频率常数：,为石英晶片密度，,c,为切变弹性系数,对于,AT,切割方式，,N,1670,kHzmm,2-75,对,2-75,式求导，则得,2-76,由此可知，厚度的变化与振荡频率成比例，式中的负号表示石英晶体厚度增加时其频率下降。,若在镀膜时石英晶体上接收的淀积厚度（质量膜厚）为,dx,则相应的晶体厚度变化为,2-77,式中,m,为淀积物质的密度，,是石英晶体的密度，为,2.65g/cm,3,2-78,(1),称重法,(b),石英晶体振荡法,77,优点,：测量简单,，,能够在制膜过程中连续测量膜厚,;,精确度高,该方法的最高灵敏度为,20Hz,左右，即,12,埃左右的质量膜厚,缺点,：测量的膜厚始终是在石英晶体振荡片上的薄膜厚度,;,每当改变晶片位置或蒸发源形状时，都必须重新校正,;,若在溅射法中应用此法测膜厚、很容易受到电磁干扰；,探头,(,石英晶片,),工作温度一般不允许超过,80,度,否则将,会带来很大误差。,(2),电学方法,(a),电阻法,78,原理,：电阻值与电阻体的形状有关,利用上述原理，来测量膜厚的方法称电阻法。它是测量金属薄膜厚度最简单的一种方法。由于金属导电膜的阻值随膜厚的增加而下降，所以用电阻法可对金属膜的淀积厚度进行监控，以制备性能符合要求的金属薄膜。,R,S,正方形平板电阻器沿其边方向的电阻值，它与正方形的尺寸无关，常称为方电阻或面电阻，单位为,/,。,（,前提：薄膜必须连续,),式中,为金属膜电阻率，,t,为膜层厚度,(2),电学方法,(a),电阻法,79,电桥法测量电阻的原理,右图为由测量电阻值（,R,S,),来测量膜厚的电桥回路原理图。其中，,1,为真空室，,2,为蒸发面。,一旦达到设计电阻值时，通过继电器控制电磁阀挡板，便可立即停止蒸发淀积。,使用普通仪器，电阻测量精度可达,1,%,至,0.1,%,。,(2),电学方法,(a),电阻法,80,采用电阻法测量的薄膜电阻值范围介于几分之一欧至几百兆欧之间,。,由于准确确定薄膜的,值有困难，所以用电阻法测得的膜厚仍有一定误差。通常为,5%左右。,缺点,：,随着薄膜厚度的减小，电阻增大的速率比预料的要大,;,薄膜界面上的散射和薄膜的结构与大块材料的结构不同，以及附着和被吸附的残余气体对电阻,会,造成影响。,超薄薄膜的电导率会发生变化,。,因为超薄薄膜是不连续的，以岛状,结构,形式存在,尽管如此，在相当宽的膜厚范围内，尤其在较高淀积速率和低的残余气体压强条件下，用电阻测量法确定膜厚仍然是适用,的。,(2),电学方法,(b),电容法,81,原理,：通过测量电介质薄膜的电容量来确定它的厚度,利用上述原理，按设计要求在绝缘基板上先淀积出叉指形电极对，并形成平板形叉指电容器。未淀积介质时，电容值主要由基板的介电常数决定。,在叉指上淀积介质薄膜后，电容值由叉指电极的间距、厚度以及淀积薄膜的介电常数决定。只要用电容电桥测出电容值便可确定淀积的膜厚。,另一种方法是在绝缘基板上先形成下电极，然后淀积一层介质薄膜后，再制作上电极，使之形成一个平板形电容器。然后根据平板电容器的计算公式，在测出电容值后，便可计算出淀积介质薄膜的厚度。（不能用于淀积过程的监控）,缺点,：由于确定介电系数和平板电容器或叉指电容器的表面积,(,电极,),所造成的误差，限制了这种方法的准确性。,(2),电学方法,(c),电离式监控计法,82,原理,：电离真空计的工作原理,在真空蒸发过程中，蒸发物时蒸气通过一只类似,B-A,规式的传感规时，与电子碰撞并被电离，所形成离子流的大小与蒸气的密度成正比。由于残余气体的影响，传感规收集到的离子流由蒸发物蒸气和残余气体两部分离子流组成。如果用一只补偿规测出残余气体离子流的大小，并将两只规的离子流送到差动放大器，再通过电路补偿消除残余气体的离子流，这样得到的差动信号就是蒸发物质的蒸发速率信号，利用此信号可以实现蒸发速率的测量与控制。,只适于真空蒸发镀膜工艺。,电离式监控计示意图,传感规结构示意图,1,带水冷却罩；,2,加速极；,3,收集极；,4,发射极；,5,芯柱,(3),光学方法,(a),光吸收法,83,如果强度为,I,0,的光照射具有光吸收性的薄膜上，则透过薄膜的光强度可由下式表示,t,为膜厚；,是吸收系数；,R,薄膜与空气界面上的反射系数,特点,：,非常简单，常用于金属蒸发膜厚度测定，且适用于淀积,过程的,控制。 淀积,速率一定时，,在半对数坐标图上，,透射光强与时间的关系是线性的。,这种方法也适用于在一定面积上薄膜厚度均匀性的检侧，但只适用于能形成连续的、薄的微晶薄膜材料,(,如,Ni-Fe,合金等,),，其它物质（如,Ag,）在小厚度时投射光强随厚度成线性衰减。,(3),光学方法,(b),光干涉法,84,原理,：光的干涉效应,当平行单色光照射到薄膜表面上时，从薄膜的上、下表面反射回来的两束光在上表面相遇后，就发生干涉规象。而且，当一束光入射于薄膜上时，膜的反射光和透射光的特性将随薄膜厚度而变化。通过测定反映反射光或透射光特性的某个参量，即可测定薄膜的厚度。,上述方法所测量的是薄膜的光学厚度，以入射光的波长,作为计量单位，精确度达,10%,。,如果两束相干光的波程差等于波长的整数倍，则两束光相互加强。如果波程差等于半波长的奇数倍，则两束光相互削弱。因此，当膜层厚度相差,/2(,光学厚度,),时，即膜层的几何厚度相差,/2n(n,为薄膜材料的折射率,),时，反射率相同，这就是光干涉法测膜厚的基础。,(3),光学方法,(b),光干涉法,85,在薄膜淀积过程中如果记录淀积膜反射率经过极值点的次数，则可监控膜层的厚度。并且还应在反射率达到某一极值时，中断淀积过程。如果淀积中经过极值点的次数为,m,次，则薄膜的光学厚度恰好等于,m,/4,。,监控透射率的原理与监控反射率是一致的。不过，当透射率为极大值时，反射率为极小值，当透射率为极小值时，反射率则相反。它们的极值点是同时发生的，所对应的膜厚也相同。因此,记录透射率在淀积过程中经过极值点的次数，同样可以监控淀积膜的厚度。,缺点,：,不适用于测定或,监控金属,薄膜。,因为金属薄膜在可见光,范围内吸收性很强，无法观察出极值点。,(3),光学方法,(c),等厚干涉条纹法,86,原理（测量膜厚的标准方法）,如果在楔形薄膜上产生单色干涉光，则在一定厚度下就能满足最大和最小的干涉条件，可观察到明暗相间的平行条纹。如果厚度不规则，则干涉条纹也呈现不规则的形状。,在薄膜台阶处干涉条纹的位移,L,是条纹间距；,L,是条纹的位移；,是单色光的波长。,测量的薄膜膜厚,t,为：,(4),触针法,87,原理,:,在针尖上镶有曲率半径为几微米的蓝宝石或金刚石的触针，使其在薄膜表面上移动时，由于试样的台阶会引起触针随之作阶梯式上下运动。再采用机械的、光学的或电学的方法，放大触针所运动的距离并转换成相应的读数，该读数所表征的距离即为薄膜厚度。,图中线圈,2和线,圈,3,的输出反相连接。由于铁芯被触针牵动随触针上下移动，此时，线圈,2,和线圈,3,输出差动电信号，放大此信号并显示相应于触针运动距离的数值。,触针测厚计的传感器,(a),差动变压器法；,(b),阻抗法,(a),差动变压器法,由于触针上下运动使电感器的间隙d发生相应的变化时，感抗随之变化，导至线圈阻抗改变。再利用放大电路放大并显示该阻抗的变化,量，即可表征触针上下运动的距离。,(b),阻抗放大法,(4),触针法,88,利用压电材料的压电效应来放大并显示触针上下运动的距离。由于触针上下运动，作用在压电晶体元件的压力将随之改变，从而导致元件的电参数亦随之改变。放大并显示该电参数的变化量，即可表征触针上下运动的数值。,(c),压电元件法,优点,：,比多光束干涉法精确,，,广泛用于硬质膜厚的测量,直接影响触针法的应用与精度,的几个方面,:,（,1,）,由于触针尖端的面积非常小，会穿透铝膜等易受损伤的,软质膜，并在其上划出道沟，从而产生极大的误差,;,（,2,）,基片表面的起伏或不平整所造成的,“,噪声,”,亦会引起误,差,；,（,3,）被测薄膜与基片之间，必须要有膜一基台阶存在，才能,进行测量。,The End,